Tecniche diagnostiche in infrarosso

Riflettografia R/IR e Termovisione T/IR

Riflettografia R/IR: sfrutta le proprietà di trasparenza di alcuni pigmenti e leganti pittoricinel vicino infrarosso (0.7-2.5 μm).

Presentazione dei risultati sotto forma di immagini della grandezza osservata :

Riflettanza nel primo caso,

radianza nel secondo caso.

La tecnica risulta possibile grazie alla trasparenza atmosferica e la disponibilità di dispositiviin grado di rivelare la radiazione infrarossa con una buona risoluzione spaziale.

L’immagine infrarossa è in scala di grigi, in alcuni casi per una migliore lettura vengonopresentare con una scala di colori, ma è puramente indicativo.

Diagnostica per immagini con relativi programmi di analisi.

Termovisione T/IR: sfrutta le proprietà di emissione di corpo nero dei materialinel medio-lontano infrarosso.

Km10898.2

costante3

max

⋅⋅=

==−

Tλ

tTAQ 4⋅⋅⋅= σε

Quantità di energia trasmessa

emissivitào

emittanza0 ÷ 1

costante di Boltzmann

Superficiedel corpo

Temperaturadel corpo

tempo42

81067.5Kms

J

⋅⋅⋅= −σ

il fenomeno descritto dalla legge di Boltzmann

E lo spettro della radiazione emessa (legge di Planck).

La Termovisione si basa su

4TtA

Q⋅=

⋅σ

La legge di Boltzmanndescrive tutta la

radiazione emessa

a 650 K si ha la radianza in

rosso.

a 450 K si ha minore radianza

Spettri normalizzati

1

Il massimo del blulo si porta allo stesso livello

del rosso, per vedere il confronto con le λ.

Con l’occhio noi vediamo una finestra di tutta la radiazione emessa dal sole.

I rivelatori nell’infrarossopossiamo considerarli come

“occhi” sensibili in una finestra di radiazione IR.

Trasparenza dell’aria all’IR

Link 2Ci permette di osservare la radiazione emessa dai corpi.

Termografia (specchietto riassuntivo)

La radiazione rilevata dalle termocamere viene “tradotta” in un valore di T.

4

superficie

PotenzaT

At

Q⋅⋅== σε

Pot

enza

per

un

ità

di s

up

erfi

cie

(W/m

2 )

Per piccole variazioni di T si hanno grandi variazioni

di Energia

Elevata sensibilitàdel metodo

Energia (radiazione- calore) che giunge da un corpo è proporzionale a T4

Gli oggetti reali non emettonocome corpi neri per i quali ε =1.

Fonti esterne di radiazione possono influenzare la lettura di T.

Corpi reali: emittanza (link3)

Sistemi video termografici

Sistemi in grado di fornire un’immagine istantanea della radianza di oggetti opachi nell’infrarosso.

Nota l’emittanza spettrale dei materiali è possibile fornire una mappa di distribuzione di temperatura.

Sistema di diagnostica non invasiva e possibilità di monitoraggio esteso e continuo.

Rivelatore IR: convertitore di energia IR assorbita in segnale elettrico. Fotorivelatori e termorivelatori

Fotorivelatori: materiali a semiconduttore in grado di convertire direttamente l’assorbimentodi fotoni IR in segnale elettrico. Per esempio semiconduttori, elettroni possono andare in banda di conduzionemediante fotoni di energia IR, e sono poi rilevati come segnale elettrico.

Termorivelatori: assorbimento di energia e misura di T dalla variazione di proprietà elettrichedegli elementi sensibili: termocoppie, bolometri, pirometri.

Tali sistemi richiedono spesso il raffreddamento della parte sensibile.{ {

Termocamere short wave, banda spettrale (3-5 μm) quantità di radiazione minima e si ha una sovrapposizione con l’irraggiamento solare nella medesima banda.

Termocamere long wave, banda spettrale (8-12 μm) sebbene meno sensibili lavorano in una bandaspettrale dove la quantità di energia è maggiore e non c’è disturbo dalla radiazione solare.

Sia con un rivelatore

short wave, che con un rivelatorelong waveun corpo più caldo emette piùradiazione.Il rivelatore “lo vedrà”

più“luminoso”.

• La radianza che interessa la termovisione sono onde elettromagnetiche nella regione

dell’infrarosso detto appunto termico.• Approfondiamo alcuni argomenti relativi

alle onde elettromagnetiche dal punto di vista generale.

e• la loro interazione con la materia

Onde elettromagnetiche

λν=c Le onde elettromagnetiche hanno la stessavelocità nel vuoto: la velocità della luce. m/s 10998.2 8⋅=c

( ) ( )mJ

[m]

101.988

[m]

m/s 10998.21063.6 25834

⋅⋅

=⋅⋅⋅⋅

===−−=

λλλν

λν

sJhchE

c

Relazione tra energia e frequenza per ogni “colore”(Planck - Einstein): E = hν

Un’altra unità di misura usata per l’energia: 1 eV= 1.60 · 10-19 J,Energia acquisita da un elettrone e – su una ddp ΔV 1 Volt.

[ ]

m.in espresso

m eV1024.1 6

λλ

⋅⋅=

−

E[ ]

[ ]⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

=•

=•

min espresso m eV 24.1

m

m10

nmin espresso ; nm eV 1240

m

nm10

6

9

μλλ

μμ

λλ

Frequenza νν = 790 ÷ 395 THz

Lunghezza d’onda λ380 ÷ 760 nm

Energia hν3.26 ÷ 1.63 eV

La radiazione può essere presentata in vari modi.Per la luce visibile avremo i seguenti intervalli in:

Quanti di materia: unità di materia elettroni e protoni

Quanti di carica: carica elementare 1.60 10-19 C

Quanti di luce: fotoni hν ogni “colore” di onda e.m, ha la sua energia Ε= hν

Questo spiega l’emissione di corpo nero e l’effetto fotoelettrico

Quantizzazione in fisica

La luce trasporta energia, e i fotoni hanno una quantità di energiaprecisa.

Anche l’energia risulta quantizzata.

Comprendere la quantizzazione

Come possiamo fornire energia?

Dal punto di vista classico,possiamo fornire energia in modo

CONTINUO.

Superata la configurazione a quota h (energia?), cosa succede?

Il corpo ha energia residua, mg(h’-h). Che tipo di energia è?

2

2

1)'( mvhhmg =−

metallo

+ -

hν

hν

a fr

enam

net

o

soglia

Effetto fotoelettrico (fotocellule-ascensori)

ΔV

Andando verso λ più piccole si ha necessità di frenare di più gli elettroni, ovvero gli e- escono con maggiore energia.

Aumentando l’intensità della radiazione, di stesso colore, aumentano il numero di elettroni emessi, ma

l’energia con cui escono dipende dal colore λ ο ν

e-

forza su e-

La quantizzazione introdotta da Planck per spiegare la radiazionedi corpo nero, spiega anche l’effetto fotelettrico.

La radiazione quindi è costituita da tanti corpuscoli, quanti di luce (dettifotoni), la cui energia è fissata dalla loro lunghezza d’onda o dalla frequenza

di oscillazione.

Interazione radiazione - materia

Questi corpuscoli interagiscono con glielettroni presenti nella materia.

Nel caso di un atomo isolato gli elettroni hanno delle orbite fisse con unadeterminata energia

Assorbimento

hν E0

E1

hν = E2-E0

E0

E1

E2

E2

hν = E2-E1

hν = E1-E0hν = E2-E0

Emissione

hν

Schemino spazialedelle orbite di un atomo

Schema energetico di un atomo.

Km10898.2

costante3

max

⋅⋅=

==−

Tλ

Casi estremi: corpo nero e gasSpettro continuo per il corpo nero

Idrogeno Azoto

Spettro a righe per i gas.

Casi estremi: corpo nero e gas.

Aggiungendo atomi per formare un reticolo si ha che i livelli energetici degli atomi si allargano.

Si può avere anche sovrapposizione.

Partiamo dai singoli atomi di rame.Nell’orbitale più esterno hanno un solo elettrone.

Con un grafico nel qualeindichiamo sulla verticale

l’energia possiamorappresentare un metallo, Con una banda di energia

mezza piena, che ha la possibilità di assorbire energiao cederla facilmente.cinetica).

Elettroni mobili

Nella stato solido i metalli formano una strutturaordinata di atomi che condividono gli elettroni piùesterni (gli elettroni possono muoversi liberamentesu tutta la struttura). Questo spiega perchéconducono facilmente il calore e la correnteelettrica. Inoltre gli elettroni possono assorbirefotoni ed aumentare così la mobilità nel reticolo(energia cinetica).

I metalli

Nei metalli l’elettrone assorbe un fotone e si trova su un livello di energia maggiore.Poi ritorna nel suo stato di equilibrio riemettendo un fotone.

Ecco perché i metalli presentano un aspetto lucido. Se la superficie è liscia riemette anche nella stessa direzione di provenienza

(specularità).

I meccanismi di assorbimento e riemissione non sono assolutamente identici.

L’oro assorbe luce bianca e riemette nel giallo-rosso, la luce è impoverita di verde e blu.

Nel rame il fenomeno è più accentuano.Argento, platino ed alluminio riemettono per il visibile come assorbono.

Come se non fosse successo nulla

Ma perché i metalli hanno colori diversi?

Dallo spettro di righe allo spettro di bande.

Un materiale con soglia sullefrequenze del visibile, se illuminato da

luce presenterà un colore complemetareai “colori” assorbiti (idiocromatici).I.e. materiale con soglia a 550 nm le

componenti non assorbite saranno rosse e gialle, pertanto il materiale assume colore

arancione.λ

Gli isolanti presentano una soglia di energia (Eg), se la luce (fotoni) chenon supera questa soglia non si ha assorbimento.

I semiconduttori hanno una sogliabassa nella regione dell’infrarosso, assorbono luce visibile e si possonoconfondere alla vista con dei metall.i

ν oppure E

Nel caso di soglia di assorbimento nell’UV 400 nm :

Il vetro ha una soglia a 350 nm, protezione dagli UV.

Mescolando a questi materiali opportune sostanze se ne modifical’assorbimento, si ottengono altre colorazioni:

colorazione allocromatica.Quarzo costituito da SiO2 . Assorbimento da 190 nm,

sia in forma cristallina che amorfa.

Introducendo impurezze o per la presenza di anomalie nella struttura cristallinasi hanno varie colorazioni.

Corindone (Al2O3) è trasparente, il rubino (Al2O3 con impurezze di cromo) presenta un colore rossovivo. Gli atomi di cromo inducono assorbimento nella regione del verde, e quindi si ha colore rosso

quando il materiale è illuminato da luce bianca.

I pigmenti colorati fanno uso di metalli di transizione, che non avendo tutti gli orbitali interni saturi di elettroni, presentano bande di assorbimento nel

visibile. Cromato di Piombo (giallo di cromo), ossidodi cromo (verde di cromo), granati (rossi per il ferro).

Assorbimento della radiazione visibile e colore

i materiali sono trasparenti al visibile.Vetro, quarzo, diamante. Plexiglas e cellophan. Lenti di plastica.

I materiali in trasparenza assumo il colore delle componenti luminose non assorbite, colore di volume.

I metalli assorbono e restituiscono la luce visibile (specularità).La maggior parte dei marteriali sono opachi, non riusciamo a vedere attraverso essi

(colore di superficie),La luce nei materiali è influenzata in 3 modi: riflessione, diffusione ed assorbimento.

Per la riflessione la luce incidente su una superficie perfetta viene riflessa in modo speculare e l’oggettoha un aspetto lucido.

Su una superficie granulosa la luce viene diffusa in tutte le direzioni, l’oggetto ha una aspetto opaco.Il resto della luce penetra nel materiale. Se è omogeneo le componenti non assorbite emergono dall’altra

parte mantenendo la direzione di arrivo (trasparenza).Se è costituito da granuli allora la luce diffonde in varie direzioni.

Se non viene assorbita allora si ha colore bianco. Altrimenti si osserva il colore complementare allecomponenti assorbite.

Radiazioneincidente

Radiazioneriflessa

Radiazionetrasmessa

e assorbita

Transizioni elettronichelivelli elettronici

Transizioni vibrazionali o livelli vibrazionali

Transizioni rotazionali o livelli rotazionali

Per Per fluidifluidi e e solidisolidi ancheanche i i livellilivelli vibrazionalivibrazionalie e rotazionalirotazionali sisi sovrappongonosovrappongono, ,

sisi hannohanno coscosìì le le bandebande..

Per molecole di gas in condizioni ideali:

Dettaglio sull’energia ad altre lunghezze d’onda

Onde elettromagnetiche, sorgenti e fenomeni correlati.

Spettro di assorbimento dei gas costituenti l’aria.

Illuminazione ed onde em

Tipi di lampade e loro spettri

IncandescenzaAlogene

Scarica vaporidi sodio

a bassa pressione

Tubi a scarica

380 nm 760 nm

UV

UV IR

UV IR

IR